18.2 – Industriel mikrobiologi

De industrielle anvendelser af mikrobiologi, havde deres begyndelse i storskala fødevare fermentering, der producerede mælkesyre far mejeriprodukter og ethanol fra brygning. Disse to kemikalier viste sig også at have mange industrielle anvendelser der ikke var relateret til fødevarer. Under Første og Anden Verdenskrig, blev industriel mikrobiologi og lignende teknologier, anvendt til produktionen af forsvarsrelaterede kemiske forbindelser, som for eksempel glycerol og acetone. Den nuværende industrielle mikrobiologi, stammer stort set fra den teknologi, der blev udviklet til fremstilling af antibiotika, efter Anden Verdenskrig. Der er fornyet interesse i disse klassiske mikrobielle fermenteringer, især hvis de kan anvendes som råmaterialer, produkter der er vedvarende eller ideelt set, bruge produkter der ellers ville gå tabt.

I de senere år, er industriel mikrobiologi blevet revolutioneret af bioteknologien, anvendelsen af genetisk modificerede organismer. I del 7, så vi på metoder til fremstilling af disse modificerede organismer, ved hjælp af rekombineret DNA teknologi og beskrev nogle af de produkter der stammer herfra.

18.2.1 Fermenteringsteknologi

Den industrielle produktion af mikrobielle produktet, indebærer i reglen fermentering. Industriel fermentering, er den storstilede dyrkning af mikroorganismer eller andre enkelt celler, for at fremstille et kommercielt værdifuldt stof. Vi har netop set på de mest kendte eksempler: den anaerobe fermentering af fødevarer der anvendes i mejeri-, bryggeriprodukter og i vinfremstilling. Meget af den samme teknologi, med den hyppige iltning, er blevet tilpasset til at fremstille andre industrielle produkter, som for eksempel insulin og humant væksthormon, af genetisk modificerede mikroorganismer. Industriel fermentering anvendes også i bioteknologi, for at opnå nyttige produkter fra genetisk modificerede plante- og dyreceller (se del 7). For eksempel anvendes dyreceller til at fremstille monoklonale antistoffer.

Figur – 18.2.1.1 – Tværsnit af en kontinuerligt omrørt bioreaktor til industrielle fermenteringer.

Tanke til industriel fermentering, kaldes for bioreaktorer; de er designet med stor opmærksomhed på iltning, pH-kontrol og termperaturstyring. Der er mange forskellige udformninger, men de mest almindeligt udbredte bioreaktorer, er den kontinuerligt omrøringstype (se figur 18.2.1.1). Luften indføres gennem en diffusor i bunden af reaktoren (der opbryder luften i små bobler for at maksimere effekten af iltningen) og en række flad-bladede pumpehjul og vægbaffler sørger for konstant omrøring af den mikrobielle suspension. Ilt kan ikke opløses i vand særligt godt og at holde den tunge bakterielle suspension godt iltet, er vanskeligt. Meget sofistikerede designs er blevet udviklet, for at opnå maksimal effektivitet i iltningen og andre vækstkrav, herunder mediumsammensætningen. Den høje værdi af produkterne fra genetisk modificerede mikroorganismer og eukaryote celler, har stimuleret udviklingen af nyere typer af bioreaktorer og computerstyring af dem.

Bioreaktorer, er undertiden meget store og kan indeholde så meget som 500.000 liter. Når produktet er høstet ved afslutningen af fermenteringen, kaldes dette batchproduktion. Der er andre udformninger af fermentorer. Til kontinuerlig strømningsproduktion, hvori substraterne (normalt en kulstofkilde) føres kontinuerligt forbi immobiliserede enzymer, eller ind i en kultur af celler i vækst, fjernes det brugte medium og det ønskede produkt, kontinuerligt.

Generelt, producerer mikroorganismer i industriel fermentering, enten primære metabolitter, som for eksempel ethanol, eller sekundære metabolitter, som for eksempel penicillin. En primær metabolit, dannes i det væsentlige, på samme tidspunkt som de nye celler og kurven over produktionen, følger cellepopulationens kurve næsten parallelt, med kun en minimal forsinkelse. Sekundære metabolitter, produceres ikke før mikroorganismerne stort set har afsluttet deres logaritmiske vækstfase, kendt som tropofasen og er indtrådt i den stationære fase af deres vækst cyklus. Den efterfølgende periode, i hvilken det meste af den sekundære metabolit produceres, kaldes idiofasen. Den sekundære metabolit, kan være en mikrobiel omdannelse af en primær metabolit. Alternativt, kan det være et metabolisk produkt fra det oprindelige vækstmedium, som mikroorganismen først fremstiller efter et betydeligt antal celler er opnået og en primær metabolit har ophobet sig. Cellulær metabolisme, efterlader små molekyler kemiske fingeraftryk fra de cellulære processer: en metabolisk profil. Anvendelsen af disse kemiske fingeraftryk for at studere de cellulære processer som involverer metabolitter, kaldes metabolomics.

Stammeforbedring, er også en løbende aktivitet i industriel mikrobiologi (en mikrobiel stamme, adskiller sig fysiologisk på en betydningsfuld måde. For eksempel har den et enzym til at udføre en større aktivitet, eller mangler en sådan evne, men denne forskel er ikke stor nok til at ændre dens artsidentitet). Et velkendt eksempel er skimmelsvampen der anvendes til fremstilling af penicillin. Den oprindelige kultur af Penicillium producerede ikke penicillin i store nok mængder til kommercielt brug. En mere effektiv kultur blev isoleret fra en muggen cantaloupe melon, fra et supermarked i Peoria, Illinois, USA. Denne stamme, blev behandlet forskelligt med UV-lys, røntgenstråler og nitrogensennep (et kemisk mutagen). Udvælgelsen af mutanterm herunder nogle der opstod spontant, øgede hurtigt produktionshastigheden med en faktor på mere end 100. I dag producerer de oprindelige penicillinproducerende skimmelsvampe, ikke de oprindelige 5 mg/L, men 60.000 mg/L. Forbedringer i fermenteringsteknikkerne, har næsten tredoblet selv dette udbytte.

Immobiliserede enzymer og mikroorganismer

På mange måder er mikroorganismer, små pakker med enzymer. Industrien øger deres anvendelse af frie enzymer, isoleret fra mikroorganismer, til fremstilling af mange produkter, for eksempel sirupper med højt fruktoseindhold, papir og tekstiler. Efterspørgslen efter sådanne enzymer er høj, fordi de er specifikke og ikke producerer dyre eller giftige affaldsstoffer. Samtidig, i modsætning til traditionelle kemiske processer, der kræver varme eller syrer, arbejder enzymer under moderate betingelser, er bionedbrydelige og sikre. Til de fleste industrielle formål, skal enzymet immobiliseres på overfladen af nogle faste bærere, eller på anden måde manipuleres, så det kan konvertere en kontinuerlig strøm af substrat til produkt, uden at det går tabt.

Figur 18.2.1.2 – Immobiliserede celler: I nogle industrielle processer, bliver cellerne immobiliseret på overflader, som for eksempel silkefibrene vist her. Substratet strømmer forbi de immobiliserede celler.

Kontinuerlige strømningsteknikker, er også blevet tilpasset til hele levende celler og nogle gange endda til døde celler (se figur 18.2.1.2). Helcellesystemet, er vanskelige at ilte og de mangler den enkeltenzymspecifitet fra immobiliserede enzymer. Men hele celler er en fordel, hvis processen kræver en række trin, der kan udføres af en mikroorganismes enzymer. De har også den fordel, at kontinuerligt strømningsprocesser med stor cellepopulationer, opererer ved høje reaktionshastigheder. Immobiliserede celler, der sædvanligvis er forankrede til mikroskopisk små kugler eller fibre, anvendes i øjeblikket til fremstilling af sirupper med højt fruktoseindhold, asparaginsyre og talrige andre bioteknologiske produkter.

18.2.2 Industrielle produkter

Som tidligere nævnt, producerer ostefremstilling et organisk affaldsprodukt, kaldet valle. Vallen bortskaffes so spildevand, eller tørres og brændes som fast affald. Begge disse processer er dyre og et økologisk problem. Imidlertid har mikrobiologer opdaget en alternativ anvendelse af valle. På denne måde, udtænker mikrobiologer nye anvendelsesmuligheder for hamle produkter og skaber nye. I dette afsnit vil vi se på nogle af de mere vigtige kommercielle mikrobielle produkter og den voksende industri for alternativ energi.

Aminosyrer

Aminosyrer, er blevet et vigtigt industrielt produkt fra mikroorganismer. For eksempel, anvendes over 1 million tons glutaminsyre (L-glutamat), til fremstilling af smagsforstærkeren mononatriumglutamat (det 3. krydderi), hvert år. Visse aminosyrer, som for eksempel lysin og methionin, kan ikke syntetiseres af dyr og er kun til stede i lave niveauer i den normale kost. Derfor en kommercielle syntese af lysin og nogle af de andre essentielle aminosyrer som kosttilskud, en vigtig industri. Mere end 250.000 tons af lysin og methionin produceres hver især hvert år.

To mikrobielt producerede aminosyrer, phenylalanin og asparginsyre (L-aspartat), er blevet vigtige ingredienser i det sukkerfir sødestof aspartam (NutraSweet). I USA alene, produceres der 7.000 til 8.000 tons af hver af disse aminosyrer årligt.

Inaturen, producerer mikroorganismer sjældent aminosyrer udover hvad der dækker deres egne behov, fordi feedback inhibering forhindrer spildproduktion af primære metabolitter (se del 5 afsnit 4.2.7). Kommerciel mikrobiel produktion af aminosyrer, afhænger af særligt udvalgte mutanter og nogle gange af sindrige manipulationer af metaboliske reaktionsveje. For eksempel i anvendelser, hvor kun L-isomeren af en aminosyre er ønsket. Mikrobiel produktion, der kun fremstiller L-isomeren, har en fordel i forhold til kemisk produktion, der både fremstiller D-isomeren og L-isomeren.

Citronsyre

Citronsyre, er en bestanddel af citrusfrugter, som for eksempel appelsiner og citroner og engang var disse dets eneste industrielle kilde. Men for mere end 100 år siden, blev citronsyre identificeret som et produkt af skimmelsvampes metabolisme. Denne opdagelse, blev først anvendt som en industriel proces, da Første Verdenskrig forstyrrede plukningen af citroner i Italien. Citronsyre har en ekstraordinær bred vifte af anvendelser, ud over de indlysende anvendelser til at give fødevarer syrlighed og smag. Det er en antioxidant og pH-regulator i mange fødevarer og i mejeriprodukter, tjener det ofte som en emulgator. Over 1,6 millioner tons citronsyre produceres årligt på verdensplan. Meget af den er fremstillet ved skimmelsvampen Aspergillus niger, med anvendelse af melasse som substrat.

Enzymer

Enzymer er meget udbredt i mange forskellige industrier. For eksempel er amylaser anvendt i produktionen af sirupper fra majsstivelse, i produktionen af papirdimensionering (et overtræk der giver glathed) og i produktionen af glucose fra stivelse. Dem mikrobiologiske produktion af amylase, anses for et første bioteknologipatent udstedt i USA, der blev givet til den japanske videnskabsmand Jokichi Takamine. Den grundlæggende proces, hvorved skimmelsvampe blev anvendt til at fremstille et enzympræparat kendt som koji, havde været anvendt i Japan i århundreder til fremstilling af gærede soyaprodukter. Koji er en forkortelse af et japansk ord der betyder flor af skimmel, der afspejler infiltration af et kornsortsubstrat, enten ris eller en hvede-soyabønneblanding, med en filamentøs svamp (Aspergillus). Primært, omdanner amylaserne i koji, stivelse til sukker, men kojipræparater indeholder også proteolytiske enzymer, der omdanner proteinet i soyabønner til en mere fordøjelig og smagfuld form. Det er grundlaget for soyabønnefermenteringer, der er grundpiller i den japanske kost, som for eksempel soyasovs og miso (gæret pasta af soyabønner med en kødfuld smag). Sake, den velkendte japanske risvin, gør brug af amylaser fra koji til at omdanne kulhydrater fra ris til en form som gær kan bruge til produktion af alkohol. Dette svarer stort set til den bygmalt der bruges i ølbrygning.

Glycoseisomerase er et vigtigt enzym; det omdanner glucose, som amylaserne danner, til fructose der anvendes som sødemiddel i stedet for saccharose i mange fødevarer. Meget brød der bages industrielt, er lavet ved hjælp af proteaser, der justerer mængden af gluten (protein) i hvede, så bagværket forbedres og gøres mere ensartet. Andre proteolytiske enzymer anvendes som kødmørnere eller i detergenter som et additiv til fjernelse af proteinholdige pletter. Omkring en tredjedel af hele den industrielle enzymproduktion er til dette formål. Rennin, et enzym der anvendes til dannelse af ostemassen i mælk, fremstilles sædvanligvis kommercielt af svampe, men produktion ved modificerede bakterier er begyndt at overtage produktionen.

Vitaminer

Vitaminer, sælges i store mængder kombineret i tablet-, tyggebar og flydende form og anvendes som individuelle kosttilskud. Mikroorganismer kan tilvejebringe en billig kilde til nogle vitaminer. Vitamin B12 bliver produceret af Pseudomonas og Propionibacterium arter. Riboflavin (B2) er et andet vitamin der fremstilles ved fermentering, for det meste af svampe som Ashbya gossypii. C vitamin (ascorbinsyre) fremstilles i mængder på 60.000 tons om året ved en kompliceret modifikation af glucose af Acetobacter arter.

Lægemidler

Moderne farmaceutisk mikrobiologi, blev udviklet efter Anden Verdenskrig, hvor produktionen af antibiotika blev indført.

Alle antibiotika var oprindeligt produkter af mikrobiel metabolisme. Mange produceres stadig ved mikrobiel fermentering og arbejdet med at udvælge mere produktive mutanter af ernæringsmæssige og genetiske manipulationer, fortsætter. Mindst 6.000 antibiotika er blevet beskrevet. En organisme, Streptomyces hydroscopius, har forskellige stammer der producerer næsten 200 forskellige antibiotika. Antibiotika, er typisk fremstillet industrielt ved at inokulerer en opløsning af vækstmedium, med sporer af den passende skimmelsvamp eller Streptomyces art og grundigt ilte suspensionen.

Vacciner, er et produkt af industriel mikrobiologi. Mange antivirale vacciner er masseproducerede i kyllingeæg eller cellekulturer. Produktionen af vacciner mod bakterielle sygdomme, kræver sædvanligvis vækst af store mængder af bakterierne. Rekombineret DNA teknologi, bliver stadig vigtigere i udviklingen og produktionen af underenhedsvacciner.

Figur 18.2.2.1 – Produktionen af steroider: Vist her, er omdannelsen af en precursorforbindelse, som for eksempel en sterol til en steroid af en Streptomyces art. Tilsætningen af en hydroxylgruppe (fremhævet med violet på steroidet) til kulstof nummer 11, kan kræve mere end 30 trin med kemiske midler, men mikroorganismen kan tilføje den i kun et trin.

Steroider, er en meget vigtig gruppe kemikalier der omfatter cortison, der anvendes som et antiinflammatorisk lægemiddel og østrogener og progesteron, der anvendes i orale kontraceptiva. Inddrivelse af steroider fra animalske kilder eller kemisk at syntetisere dem er svært, men mikroorganismer kan syntetisere steroider fra steroler eller fra beslægtede, let opnåelige forbindelser. For eksempel, illustrerer figur 18.2.2.1, omdannelsen af en sterol til en værdifuld steroid.

Kobberekstraktion ved udvaskning

Acidithiobacillus ferrooxidans, bruges i ekstraktionen af ellers urentable kvaliteter af kobbermalm, som undertiden indeholder så lidt som 0,1% kobber. Mindst 25% af verdens kobber produceres på denne måde. Acidithiobacillus bakterier får deres energi fra oxidation af en reduceret form af jern (Fe2+) i jernholdigt sulfid, til en oxideret form (Fe3+) i ferrisulfat. Svovlsyre (H2SO4) er også et produkt af reaktionen. Den sure opløsning af Fe3+-holdigt vand, anvendes i sprinklere og får lov til at sive langsomt ned gennem malmen (se figur 18.2.2.2). Ferrojern (Fe2+) og A. ferrooxidans er normalt tilstede i malmen og fortsætter med at bidrage til reaktionerne. Fe3+-ionerne i overrislingsvandet reagerer med uopløseligt Cu (Cu+) i kobbersulfider i malmen og danner opløselige kobber (Cu2+) i form af kobbersulfater (CuSO4). Det opløselige kobbersulfat siver gennem malmen og opsamles i store tanke, hvor det kommer i kontakt med jernskrot. Kobbersulfaterne, reagerer kemisk med jern og udfældes som metallisk kobber (Cu0). I denne proces, bliver det metalliske jern (Fe0) omdannet til ferrojern (Fe2+), der recirkuleres til en iltet oxidationsdam, hvor Acidithiobacillus bakterierne bruger det til energi og til at genstarte den næste cyklus.

Figur 18.2.2.2 – Biologisk udvaskning af kobbermalm: Kemien i processerne, er meget mere komplekse end vist her. Det væsentlige er, at Acidithiobacillus ferrooxidans bakterier anvendes i en biologisk/kemisk proces, som ændrer uopløseligt kobber i malmen til opløseligt kobber, der udvaskes og fældes som metallisk kobber. Opløsningerne recirkuleres kontinuerligt.

Mikroorganismer som et industrielt produkt

Mikroorganismerne selv, udgør nogle gange et industrielt produkt. Bagegær (S. cerevisiae) produceres i store kulsyreholdige fermenteringstanke. Ved afslutningen af fermenteringen, er indholdet omkring 4% gærtørstof. Cellerne høstes ved kontinuerte centrifugeringer og sammenpresses til de velkendte 50 grams pakker af gær der sælges i supermarkedet.

Andre vigtige mikroorganismer der sælges industrielt, er de symbiotiske nitrogenfikserende bakterier Rhizobium og Bradyrhizobium. Disse organismer, er sædvanligvis blandet med tørvemos for at bevare fugtigheden; landmanden blander sphagnum og bakterielt inokulum med frø af bælgplanter, for at sikre infektion af planterne med effektive nitrogenfikserende stammer. I mange år, har gartnere anvendt insektpatogenet Bacillus thuringiensis for at kontrollere bladspisende insektlarver. Denne bakterie producerer et toksin (Bt toksin), der dræber visse møl og fluer når det indtages af deres larver. B. thuringiensis underarten isreaelensis producerer et Bt toksin der er særligt effektivt mod myggelarver og er meget udbredt i kommunale myggekontrolprogrammer. Kommercielle præparater indeholdende Bt toksin og endosporer af B. thuringiensis kan købes i nogle plantecentre.

18.2.3 Alternative energikilder fra mikroorganismer

Figur 18.2.3.1 – Metanproduktion fra fast affald på lossepladser: Metan ophobes på lossepladser og kan bruges til energi. Denne installation nær Los Angeles i USA, har 50 mikroturbiner, der producerer elektricitet fra metan produceret på lossepladsen. Umiddelbart bag mikroturbinerne er fem gasafbrændingsskorstene, er afskærmer flammerne fra den overskydende opblussende metan – et myndighedskrav, så fly ikke forveksler det med lysene i lufthavne.

Som vores forsyninger af fossile brændstoffer mindskes eller bliver dyrere, vil interessen for brugen af vedvarende energikilder stige. Fremtrædende blandt disse er biomasse, det kollektive organiske stof produceret af levende organismer, herunder afgrøder, træer og kommunalt affald. Mikroorganismer kan anvendes til biokonversion, processen der konverterer biomasse til alternative energikilder. Biokonversion kan også formindske mængden af affald, der kræver bortskaffelse.

Metan er den mest bekvemme energikilde produceret ved biokonversion. Mange områder frembringer nyttige mængder af metan fra affald i deponeringsanlæg (se figur 18.2.3.1).

18.2.4 Biobrændsel

Som leverancerne af fossile oliebaserede brændstoffer bliver dyrere og nogle gange usikker, vokser interessen for udskiftelige brændstoffer, biobrændsel. Interessen har i første omgang, fokuseret på ethanol som allerede i et vidt omfang bruges som et supplement i benzin (90% benzin og 10% ethanol) og teknologien hertil er veletableret. Brasilien for eksempel, producerer store mængder ethanol fra sukkerrør, omkring en tredjedel af dets samlede transportforbrugende brændstof kommer herfra. Ethanol har imidlertid en række mangler; det kan ikke transporteres med konventionelle rørledninger (fordi det absorberer vand så ivrigt) og det har 30% mindre energiindhold end benzin. Dertil kommer, at produktionen af ethanol fra majs, skaber et pres på udbuddet og prisen på denne værdifulde fødevare.

Disse ulemper, har øget interessen for biobrændstoffer afledt fra celluloseholdige materialer, som for eksempel majskolbestilke, træ og papiraffald og fra eksotiske ikke-spiselige planter, som for eksempel jatropha (purgérnøddetræ), camelina (dodder) og elefantgræs. I USA, er der særlig interesse for præriegræs. Sådanne græsser er stauder og kræver stort set ingen opmærksomhed bortset fra selve høsten. Teknologien til fremstilling af ethanol fra cellulose er mindre kendt og dyrere end fra majs eller sukkerrør. Sukkermolekylerne, der udgør cellulose, kan brækkes fra hinanden ved hjælp af enzymer – i virkeligheden, er gener for at syntetiserer disse enzymer blevet genetisk indført i E. coli. Cellulosekilder, indeholder også betydelige mængder af et lignende komponent, hemicellulose, hvilket vil kræve organismer i stand til at nedbryde det – sandsynligvis genetisk modificerede mikroorganismer. Det svært nedbrydelige celluloseholdige komponent lignin, kan brændes for at opvarme de tidlige trin i fermenteringsbehandlinger.

Højere alkoholer, som for eksempel butanol, der har længere kulstofkæder og især forgrenede alkoholer som isobutanol og isobutyraldehyd, har nogle fordele i forhold til konventionel ethanol. De har mindre kapacitet til absorption af vand og har et højere energiindhold. Bakterier er blevet genetisk modificeret til at producere flere forskellige former af højere alkoholer fra glucose. Et grundlæggende problem ved mikrobiel produktion af biobrændstoffer er, at vi ønsker at mikroorganismerne skal udskille brændstofferne direkte, så vi undgår det dyre trin med at høste biobrændstoffet med jævne mellemrum.

En teoretisk attraktiv organisme til fremstilling af biobrændstoffer, er alger. Alger giver en række fordele; for det første optager de ikke værdifuld landbrugsjord, nødvendig for fødevareproduktion. For det andet, producerer alger 40 gange den energi som en hektar majs producerer – og jorden algerne vokser på kan være ikke-anvendelig til landbrugsjord, så længe der er sollys nok. Eksperimentelle algeproduktionssteder har brugt kuldioxidemissionerne fra kraftværker, for at accelerere væksten. Algerne kan høstes på næsten daglig basis. Olie presset fra dem, kan omdannes til biodiesel og måske endda jetbrændstof: typiske alger, giver et udbytte på 20% af deres vægt i olie og nogle endda mere. Efter olieudvindingen, er resterne rige på kulhydrater og proteiner og kan anvendes til at producere ethanol eller som dyrefoder.

Hydrogen er en attraktiv kandidat til erstatning for fossile brændsler, især hvis det kan produceres ved at spalte vand. Det kan bruges i brændselsceller til at generere elektricitet og hvis det brændes til produktion af energi der ikke danner skadelige rester. Det meste forskning omkring produktion af hydrogen, har koncentreret sig om fysiske og kemiske metoder, men det er også potentielt muligt af anvende bakterier eller anger til produktion af hydrogen, ved fermentering af forskellige affaldsprodukter eller ved modifikationer af fotosyntesen.

Teknologierne beskrevet ovenfor, vil kræve tid for at nå til deres fulde potentiale. I øjeblikket, er videnskaben kun nået til de tidlige faser af indlæringskurven, som alle nye teknologier står over for.

18.2.5 Industriel mikrobiologi og fremtiden

Mikroorganismer har altid været overordentlige nyttige for menneskeheden, selv da deres eksistens var ukendt. De vil fortsat være en vigtig del af mange grundlæggende fødevareforarbejdende teknologier. Udviklingen af rekombineret DNA teknologi, har yderligere intensiveret interessen for industriel mikrobiologi, ved at udvide mulighederne for nye produkter og anvendelser. Da fossile brændstofressourcer stadig bliver mere og mere knappe, vil interessen for vedvarende energikilder, som for eksempel brint og ethanol, stige. Brugen af specialiserede mikroorganismer til produktionen af sådanne produkter i industriel målestok, vil kun blive vigtigere. Som nye bioteknologiske anvendelser og produkter kommer ind på markedet, vil de påvirke vores liv og trivsel på måder, som vi kun kan gisne om i dag.

← Forsiden 18.3 – Kapitelresumé →